CN114657548A - 一种金属固态沉积用喷嘴及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属固态沉积用喷嘴及其应用，涉及固态喷涂技术领域。该金属固态沉积用喷嘴包括拉法尔喷嘴和加热装置；加热装置设置于拉法尔喷嘴的扩张段的外壁并用于对扩张段进行非接触加热，以使固态沉积过程中与拉法尔喷嘴扩张段内壁接触的部分喷涂材料在与扩张段的内壁的接触的瞬间，颗粒表面熔化。将该喷嘴用于金属固态沉积，通过电磁感应线圈对喷嘴的扩张段进行加热以使扩张段温度始终高于喷涂材料的熔点，可确保沉积材料在湍流扰动下即使撞击到喷嘴内壁，粉末颗粒表面也可快速熔化，进而在高速气流的作用下脱离喷嘴内表面，无法在喷嘴内壁沉积聚集，从而有效避免了喷嘴堵塞现象的发生，明显增强了设备的稳定性及生产能力。
Description
技术领域
本发明涉及固态喷涂技术领域，具体而言，涉及一种金属固态沉积用喷嘴及其应用。
背景技术
金属固态沉积作为一种新兴的表面处理工程新技术，是传统热喷涂技术的重要补充之一。金属固态沉积工艺的原理是在微米级金属粉末颗粒在低温固态下，高速冲击基体或已沉积金属层，使材料发生强塑性变形，进而通过机械咬合和局部冶金结合使金属粉末沉积于基体表面的新型材料沉积技术。
具体工作过程是采用加热设施预热压缩气体，压缩气体通过缩放型的Laval喷管产生超高速流，将微米级粉末颗粒沿轴向送入气流中，经气体加速后以高速撞击基体，通过产生剧烈的塑性变形而在基体表面沉积为涂层。
然而，金属固态沉积进行金属层制备的过程中，金属粉末颗粒极易粘附于喷嘴内壁，随着大量粉末颗粒的持续粘附，喷嘴会在短时间内发生堵塞，这一问题已成为金属固态沉积技术长时间工业应用的核心问题之一。
不锈钢、工具钢、超硬合金等是金属固态沉积喷嘴常用材料，为了解决喷嘴的堵塞问题，先后使用氮化物、氧化物、碳化物等陶瓷材料替代金属作为喷嘴的制备材料，从而减少金属颗粒在内壁的沉积几率，以缓解喷嘴堵塞现象，但仍无法彻底解决喷嘴的堵塞问题。而对于铝、银等纯金属及其合金，极易发生粉末颗粒的粘附，短时间工作后，喷嘴便会发生堵塞，进而需要频繁地停机，更换金属固态沉积用喷嘴，导致沉积装置运行效率低下，制造成本大幅上升。
鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种金属固态沉积用喷嘴，其可有效避免金属固态沉积过程中喷嘴堵塞现象的发生，增强喷嘴的稳定性及生产能力，使喷嘴可长时间连续使用。
本发明的目的之二在于提供一种上述金属固态沉积用喷嘴在金属固态沉积中的应用。
本申请可这样实现：
第一方面，本申请提供一种金属固态沉积用喷嘴，包括拉法尔喷嘴和加热装置；
加热装置设置于拉法尔喷嘴的扩张段的外壁并用于对扩张段进行非接触加热，以使固态沉积过程中与拉法尔喷嘴扩张段内壁接触的部分喷涂材料在与扩张段的内壁的接触处形成表面熔化。
在可选的实施方式中，加热装置用于将扩张段加热至扩张段内壁的温度较喷涂材料的熔点至少高0.5℃。
在优选的实施方式中，加热装置用于将扩张段加热至扩张段内壁的温度较喷涂材料的熔点高0.5℃-100℃。
在更优的实施方式中，加热装置用于将扩张段加热至扩张段内壁的温度较喷涂材料的熔点高0.5℃-10℃。
在可选的实施方式中，加热装置为电磁感应加热线圈，电磁感应加热线圈套设于拉法尔喷嘴的扩张段的外壁。
在可选的实施方式中，电磁感应加热线圈的工作条件包括：工作电压为380V的交流电压、工作频率为5-20kHz、工作功率为2-200KVA。
在可选的实施方式中，扩张段的制备材料为在磁场作用下产生涡流电流的高熔点材料。
在可选的实施方式中，扩张段的制备材料包括石墨、钨、钽、钼、铌和高温合金中的至少一种。
在优选的实施方式中，扩张段的制备材料为钼。
在可选的实施方式中，金属固态沉积用喷嘴还包括保温层，保温层至少包裹于拉法尔喷嘴的扩张段的外壁，电磁感应加热线圈套设于保温层的外壁。
在可选的实施方式中，保温层的制作材料为氧化锆纤维棉。
在可选的实施方式中，保温层的厚度为3-5mm。
在可选的实施方式中，金属固态沉积用喷嘴还包括控温系统，控温系统包括测量件和控制器，测量件用于测量扩张段的内壁的温度，测量件与控制器信号连接以将扩张段的内壁的温度信息传送至控制器，控制器还与电磁感应加热线圈电信号连接以控制电磁感应加热线圈对扩张段的加热情况。
第二方面，本申请提供上述喷嘴在金属固态沉积中的应用。
在可选的实施方式中，金属固态沉积所用的喷涂材料为微米级的金属粉末颗粒；和/或，拉法尔喷嘴中的喷涂材料的流速至少为500m/s。
本申请的有益效果包括：
本申请通过在拉法尔喷嘴的扩张段的外壁设置加热装置并用于对扩张段进行非接触加热，使固态沉积过程中与拉法尔喷嘴扩张段内壁接触的部分喷涂材料在与扩张段的内壁的接触处形成表面熔化，在金属固态沉积高速气流的带动下直接从喷嘴内壁上弹开，可完全避免喷涂材料在金属固态沉积过程中沉积至喷嘴内壁，从而可有效避免喷嘴堵塞现象的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为金属固态沉积过程中粉末粘连堵枪的原理图；
图2为本申请提供的金属固态沉积用喷嘴在第一视角下的结构示意图；
图3为本申请提供的金属固态沉积用喷嘴所具有的防止粉末粘连堵枪的原理图。
图标：1-扩张段；2-加热装置；3-保温层；4-感应涡流。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
下面对本申请提供的金属固态沉积用喷嘴及其应用进行具体说明。
金属固态沉积不同于传统热喷涂(超速火焰喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等)，金属固态沉积过程中，粉末粒子在整个沉积过程中温度均低于其熔点，整个过程金属粒子没有被融化，保持固态。
但在上述过程中，不可避免地有一些喷涂粉末会与喷嘴内壁接触，加之其运动速度快，从而产生碰撞变形，沉积在喷嘴内壁(原理如图1所示)。
发明人提出：现有技术中针对冷喷涂过程中喷枪容易堵枪的方案基本上是在喷枪外壁设置冷却水供应装置以对喷枪进行降温，使喷嘴处的温度降低，使得喷嘴的温度与喷涂材料温度之间的温差相对变大(喷涂粉末温度高于喷嘴温度)，降低堵枪概率，但喷涂粉末温度过高，也还是会沉积在喷嘴内壁，造成堵塞。
本申请创造性地提出了一种新的金属固态沉积用喷嘴，如图2所示，其包括拉法尔喷嘴和加热装置2。
其中，拉法尔喷嘴可直接采用现有技术中的典型的具有收敛段和扩张段1的该类型喷嘴。
加热装置2设置于拉法尔喷嘴的扩张段1的外壁并用于对扩张段1进行非接触加热，以使固态沉积过程中与拉法尔喷嘴扩张段1内壁接触的部分喷涂材料在与扩张段1的内壁的接触处形成表面熔化。
通过上述设置，可完全避免喷涂材料在金属固态沉积过程中沉积至喷嘴内壁，从而有效避免了堵枪现象的发生。
具体的，请参照图3所示，其原理包括：在金属固态沉积过程中，大多数的金属喷涂粉末(固态)是直接穿过喷嘴内部的腔室的，不与喷嘴内壁接触；但少数金属喷涂粉末基于超音速湍流造成的扰动会与喷嘴内壁碰撞，在高速的气流作用下，产生类似于摩擦的作用(摩擦动能转内能)，再加之喷嘴内壁的温度高于金属喷涂粉末的熔点，使得金属喷涂粉末与喷嘴内壁接触的这部分粉末表面发生界面熔化后即在高速气流的作用下直接从喷嘴内壁上弹开，而不会沉积于喷嘴内壁，更不会导致整个喷涂粉末均熔化的情况。
需说明的是，本申请中加热装置2之所以不设置在收敛段(收缩段)，是因为喷嘴喉部尺寸过小，通常为1-3mm，在喷嘴喉部之前的收敛段，粉末颗粒还未加速，通常速度低于50m/s，较低的粉末速度和较高的喷嘴温度，易导致界面熔化的喷涂颗粒在收敛段就产生相互粘连的问题。当收敛段的喷涂颗粒彼此间发生粘连后，极易堵塞喷嘴喉部，不但无法解决堵枪问题，反而还会加重堵枪。
本申请中，加热装置2用于将扩张段1加热至扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点至少高0.5℃。在一些优选的实施方式中，扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点高0.5℃-100℃，如0.5℃、1℃、2℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等，也可以为0.5-100℃范围内的其它任意值。在一些更优的实施方式中，扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点高0.5℃-10℃，如0.5℃、1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、3.5℃、4℃、4.5℃、5℃、5.5℃、6℃、6.5℃、7℃、7.5℃、8℃、8.5℃、9℃、9.5℃或10℃等，也可以为0.5-10℃范围内的其它任意值。
通过将扩张段1内壁的温度与喷涂材料的熔点的差异设置成上述范围，可保证喷涂材料粉末颗粒在湍流扰动下即使撞击到喷嘴内壁，粉末颗粒表面也将快速熔化(只有接触处的表面呈熔化状态，粉末颗粒其余部分依然呈固态)，并在高速气流的作用下，脱离喷嘴内表面，从而无法在喷嘴内壁沉积聚集，避免堵枪现象的发生。
需说明的是，若扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点高0(不含)-0.5℃(不含)，可能会导致与喷嘴内壁接触的喷涂材料在高速气流的作用下来不及发生表面熔化或熔化效果不佳，无法确保喷涂材料能够完全脱离喷嘴内壁。若扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点过高，不但耗费能源，而且很可能在热传导过程中造成喷涂材料熔化面积过宽或熔化深度过深(甚至靠近颗粒中心的部位也熔化)，不但会导致颗粒沉积于喷嘴内壁，也会导致大量粉末颗粒材料的熔化，导致材料改性，凸显不出金属固态沉积的优势。
作为参考地，本申请所用的加热装置2可以为电磁感应加热线圈，电磁感应加热线圈套设于拉法尔喷嘴的扩张段1的外壁。
上述电磁感应加热线圈的工作条件例如可包括：工作电压为380V的交流电压、工作频率为5-20kHz、工作功率为2-200KVA。
其中，工作频率可以为5kHz、8kHz、10kHz、12kHz、15kHz、18kHz或20kHz等，也可以为5-20kHz范围内的其它任意值。
工作功率可以为2KVA、5KVA、8KVA、10KVA、20KVA、50KVA、80KVA、100KVA、120KVA、150KVA、180KVA或200KVA等，也可以为2-200KVA范围内的其它任意值。
相应的，扩张段1的制备材料为可在磁场作用下产生涡流电流的高熔点材料。可参考地，扩张段1的制备材料示例性地可以包括石墨、钨、钽、钼、铌和高温合金(指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料)中的至少一种。在一些优选的实施方式中，扩张段1的制备材料为钼。
通过设置上述电磁感应加热线圈以及导电扩张段1，可使得线圈与导电扩张段1之间产生电磁感应；加之，电磁感应加热线圈的工作频率属于低频，电磁感应线圈产生的交变磁场会使得拉法尔喷嘴内部产生交变的电流以及感应涡流4从而完成自身发热。
需强调的是，基于电磁感应具有的趋肤效应，当喷嘴自身发热后会产生电磁屏蔽效应，也即，电磁感应加热线圈只会对喷嘴进行加热，而不会对喷嘴内部的喷涂材料进行加热。本申请中，喷涂材料的熔化主要是基于加热后的喷嘴内壁的温度高于喷涂材料的熔点而产生的，加之其在高速流速下，与喷嘴内壁摩擦产热也会对熔化产生一定影响。
进一步地，本申请提供的金属固态沉积用喷嘴还可包括保温层3，保温层3至少包裹于拉法尔喷嘴的扩张段1的外壁(也即不排除整个拉法尔喷嘴外壁均设有保温层3的情况)，电磁感应加热线圈套设于保温层3的外壁。
通过设置保温层3，有利于提高喷嘴内部温度的稳定性。
可参考地，保温层3的制作材料示例性地可以为氧化锆纤维棉，此外，也可以为常规的其它保温材料。
较佳地，保温层3的厚度可以为3-5mm，如3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm等，也可以为3-5mm范围内的其它任意值。厚度过薄不利于维持喷嘴内部的温度，厚度过厚导致电磁感应效应降低，加热效率下降。
进一步地，本申请中的金属固态沉积用喷嘴还包括控温系统(图未示)，控温系统包括测量件和控制器，测量件(如热电偶或激光测温仪器)用于测量扩张段1的内壁的温度，测量件与控制器信号连接以将扩张段1的内壁的温度信息传送至控制器，控制器还与电磁感应加热线圈电信号连接以控制电磁感应加热线圈对扩张段1的加热情况。
需说明的是，上述控温系统的工作原理以及涉及的其它元件可参照现有技术，在此不做过多赘述。
值得说明的是，控温操作也可人工进行。
此外，本申请还提供了上述喷嘴在金属固态沉积中的应用。
可参考地，金属固态沉积所用的喷涂材料为微米级的金属粉末颗粒。
拉法尔喷嘴中的喷涂材料的流速至少为500m/s，优选不低于1000m/s，上述流速范围可通过高压气流的速度以及喷嘴各作用段的截面积变化实现。
承上，本申请提供的金属固态沉积用喷嘴可有效避免喷涂材料在金属固态沉积过程中出现堵枪现象。
实施例1
本实施例提供一种金属固态沉积用喷嘴，其包括拉法尔喷嘴、加热装置2、保温层3、激光测温仪以及控制器。
其中，拉法尔喷嘴为典型的该类型喷嘴，具有收缩段和扩张段1。扩张段1的制备材料为钼。
保温层3包裹于扩张段1的外壁，保温层3的制作材料为氧化锆纤维棉，其厚度为5mm。
加热装置2为电磁感应加热线圈，其套设在保温层3的外壁。该电磁感应加热线圈的工作电压为380V的交流电压、工作频率为10kHz、工作功率为100KVA，以对扩张段1进行加热使得扩张段1的内壁的温度较喷涂材料的熔点高5℃。
激光测温仪通过发出的激光向控制器反馈扩张段1内壁的温度，控制器通过比较激光测温仪反馈回来的温度值与扩张段1内壁与喷涂材料熔点之间的预设温度差来调节电磁感应加热线圈的工作条件从而控制扩张段1内壁的加热温度。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：电磁感应加热线圈的工作电压为380V的交流电压、工作频率为5kHz、工作功率为2KVA。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：电磁感应加热线圈的工作电压为380V的交流电压、工作频率为20kHz、工作功率为200KVA。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点高0.5℃。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点高10℃。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于：扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点高100℃。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于：扩张段1的制备材料为钨。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于：保温层3的厚度为3mm。
对比例1
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：未采用电磁感应加热装置2。其余条件(包括结构、材料、参数等)均同实施例1。
对比例2
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：扩张段1的制作材料为低熔点的铝。其余条件(包括结构、材料、参数等)均同实施例1。
对比例3
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：未包裹纤维棉类保温材料，其余条件(包括结构、材料、参数等)均同实施例1。
对比例4
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：电磁感应加热线圈只包围拉法尔喷嘴收缩段，对拉法尔喷嘴收缩段进行加热(也即，不对扩张段1加热)。其余条件(包括结构、材料、参数等)均同实施例1。
对比例5
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：扩张段1内壁的温度与喷涂材料的熔点相同，其余条件同实施例1。
对比例6
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：扩张段1内壁的温度较喷涂材料的熔点高200℃，其余条件同实施例1。
对比例7
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：电磁感应加热线圈的工作频率为100Hz，其余条件同实施例1。
对比例8
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：保温层3的厚度为1mm，其余条件同实施例1。
对比例9
以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：保温层3的厚度为10mm，其余条件同实施例1。
试验例
以上述实施例1-8以及对比例1-9提供的金属固态沉积用喷嘴对多种微米级的金属喷涂粉末颗粒进行金属固态沉积，拉法尔喷嘴中的喷涂材料的流速为1000m/s，比较各试验喷嘴对应的堵枪时间、内壁粘附、喷嘴温度差、可沉积材料熔点等，其结果如表1所示。
其中，堵枪时间指粉末进入喷枪，到喷嘴堵塞，无法从喷嘴喷出粉末材料的时间间隔；喷嘴温度误差指喷嘴外壁测量温度在装置未设有保温层和未设保温层条件下的差值。
表1比较结果
由表1可以看出，本申请提供的金属固态沉积用喷嘴较对比例能够有效避免喷枪堵塞，且适用于沉积多种金属固态颗粒粉末。相较实施例1-8而言，实施例1所提供的金属固态沉积用喷嘴的效果最佳。
综上，本申请提供喷嘴用于金属固态沉积，通过电磁感应线圈对喷嘴的扩张段1进行加热以使扩张段1温度始终高于喷涂材料的熔点，可确保沉积材料在湍流扰动下即使撞击到喷嘴内壁，粉末颗粒表面也可快速熔化，进而在高速气流的作用下脱离喷嘴内表面，无法在喷嘴内壁沉积聚集，从而有效避免了喷嘴堵塞现象的发生，明显增强了设备的稳定性及生产能力，使得该设备可长时间连续使用。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种金属固态沉积用喷嘴，其特征在于，包括拉法尔喷嘴和加热装置；
所述加热装置设置于所述拉法尔喷嘴的扩张段的外壁并用于对所述扩张段进行非接触加热，以使固态沉积过程中与所述拉法尔喷嘴扩张段内壁接触的部分喷涂材料在与所述扩张段的内壁的接触处形成表面熔化。
2.根据权利要求1所述的金属固态沉积用喷嘴，其特征在于，所述加热装置用于将所述扩张段加热至所述扩张段内壁的温度较喷涂材料的熔点至少高0.5℃；
优选地，所述加热装置用于将所述扩张段加热至所述扩张段内壁的温度较喷涂材料的熔点高0.5℃-100℃；
更优地，所述加热装置用于将所述扩张段加热至所述扩张段内壁的温度较喷涂材料的熔点高0.5℃-10℃。
3.根据权利要求1或2所述的金属固态沉积用喷嘴，其特征在于，所述加热装置为电磁感应加热线圈，所述电磁感应加热线圈套设于所述拉法尔喷嘴的扩张段的外壁。
4.根据权利要求3所述的金属固态沉积用喷嘴，其特征在于，所述电磁感应加热线圈的工作条件包括：工作电压为380V的交流电压、工作频率为5-20kHz、工作功率为2-200KVA。
5.根据权利要求3所述的金属固态沉积用喷嘴，其特征在于，所述扩张段的制备材料为在磁场作用下产生涡流电流的高熔点材料；
优选地，所述扩张段的制备材料包括石墨、钨、钽、钼、铌和高温合金中的至少一种；
更优地，所述扩张段的制备材料为钼。
6.根据权利要求3所述的金属固态沉积用喷嘴，其特征在于，所述金属固态沉积用喷嘴还包括保温层，所述保温层至少包裹于所述拉法尔喷嘴的扩张段的外壁，所述电磁感应加热线圈套设于所述保温层的外壁；
优选地，所述保温层的制作材料为氧化锆纤维棉。
7.根据权利要求6所述的金属固态沉积用喷嘴，其特征在于，所述保温层的厚度为3-5mm。
8.根据权利要求4所述的金属固态沉积用喷嘴，其特征在于，所述金属固态沉积用喷嘴还包括控温系统，所述控温系统包括测量件和控制器，所述测量件用于测量所述扩张段的内壁的温度，所述测量件与所述控制器信号连接以将所述扩张段的内壁的温度信息传送至所述控制器，所述控制器还与所述电磁感应加热线圈电信号连接以控制所述电磁感应加热线圈对所述扩张段的加热情况。
9.如权利要求1-8任一项所述的金属固态沉积用喷嘴在金属固态沉积中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，金属固态沉积所用的喷涂材料为微米级的金属粉末颗粒；和/或，所述拉法尔喷嘴中的所述喷涂材料的流速至少为500m/s。
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